Защита на силови трансформатори – част 4.

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 6, 2013

Защита на силови трансформатори – част 4.Защита на силови трансформатори – част 4.

В брой 4/2013 на списание Инженеринг ревю бяха разгледани защитите от вътрешни земни съединения, газовите защити и защитите от външни повреди и претоварване. В този брой поредицата от статии приключва с представяне на технологичните защити и специфичните особености на защитите на малки трансформатори.

Технологични защити на трансформатори
В тази група, освен газовите защити, които са основни защити от вътрешни повреди (вж. Инженеринг ревю бр. 4/2013), попадат и изброените по-долу неелектрически защити.

Термична защита. Датчиците на термичната защита се поставят в местата, където се очакват най-високите локални температури в трансформатора. При маслените трансформатори достатъчна точност може да се постигне с измерване на температурата в горните слоеве на маслото в казана. Защитата може да се осъществи както с електроконтактни термометри, така и с термосъпротивителни датчици, свързани към преобразуватели с релейни изходи.

Прецизността на защитата се повишава, когато се монтират термосъпротивителни датчици в контакт със самите намотки в местата, където се очаква най-голямо прегряване. При сухите трансформатори това е единственият приложим метод.

Термичната защита обикновено се настройва да действа на две степени, с два прага на задействане – сигнал и изключване. При малките маслени трансформатори обикновено не се предвижда термична защита, а само термометър, монтиран в джоб върху капака на казана.

Защита от понижено ниво на маслото. Това са различни видове поплавкови датчици. При големите трансформатори се предвиждат две степени – сигнал и изключване. При малките трансформатори обикновено има само указател за визуален контрол на нивото на маслото.

Комбинираните блокове от типа GRPT (Gaseous Release, Pressure, Temperature), които включват релета за налягане, за ниво и за температура на маслото с по една или по две степени, предлагани за херметичните маслени трансформатори, бяха разгледани по-горе.

Защити към охладителните системи на трансформаторите. Управлението на принудителното охлаждане на по-големи трансформатори може да бъде стъпално в зависимост от температурата на маслото и/или тока на товара. Управлението може да се осъществява от отделна релейно-контакторна схема или цифров контролер с отделни датчици за температура. Има цифрови защити, които съвместяват и тази функция. При всички случаи се предвижда сигнализация в случай на неизправност на охладителната система. Където е приложимо, може да бъде предвидено и автоматично разтоварване до нива, допустими за работа на трансформатора без принудително охлаждане.

Защити към стъпалните регулатори под напрежение. Системите за управление на стъпалните регулатори осъществяват сигнализация в случай на неизправност и преди всичко в случай на оставане на регулаторите на трите фази на различни стъпала, което поражда несиметрия на напреженията и токовете.

Защити на малки трансформатори
Трансформатори, оборудвани с прекъсвачи откъм захранващата страна. Обикновено това е случаят с малки трансформатори, захранващи електроснабдителни мрежи на предприятия и търговски обекти, трансформатори за собствени нужди и др. По-евтина алтернатива на диференциалната защита като защита от вътрешни повреди е токовата отсечка (функция 50) – токова защита с фиксиран праг и мигновено действие. Свързва се откъм страната на захранването чрез токови трансформатори за всяка фаза, свързани в звезда. От съображения за резервиране действа върху прекъсвачите и на захранващата, и на страната на товара.

Токовата отсечка трябва да се “отстрои” от тока на намагнитване при включване на трансформатора. Типични стойности за прага на сработване са 140-200% от номиналния ток. Същевременно защитата трябва да има такава чувствителност, че да покрива със запас минимално двуфазно късо съединение на изводите на трансформатора откъм страната на товара. При невъзможност да се постигне едновременно нужната чувствителност и “отстройването” от намагнитващия ток, може да се наложи да се използват релета с блокировка по 2-ри хармоник.

Обикновено токовата отсечка се комбинира с токови защити от външно късо съединение и от претоварване от двете страни на трансформатора. При наличие на прекъсвач откъм страната на захранването и независим източник на оперативно захранване, маслените трансформатори могат да се оборудват с газова защита, действаща на изключване.

Наредба 3 изисква газова защита за всички трансформатори над 400 kVA и я препоръчва и за по-малки трансформатори, като там, където не е наличен прекъсвач, газовата защита трябва да действа “на сигнал”. За сухите трансформатори е важно да се предвиди термична защита, доколкото прегряването може да има разрушителни последствия за изолацията.

Защита с високоволтови стопяеми предпазители. Това е много разпространен метод, използван за малки понижаващи трансформатори, особено в обществените електроразпределителни мрежи. Предимствата му са евтина, надеждна и бързодействаща защита от вътрешни и външни къси съединения, без необходимост от оперативно захранване.

Същността на метода се състои в монтиране на стопяеми предпазители откъм страната на захранването, която в случая е страната средно напрежение. Най-малкото от съображения за оперативно удобство и възможност за обезопасяване е необходимо монтирането на товаров прекъсвач пред стопяемите предпазители, или пък да бъде използван товаров прекъсвач с монтирани в самия него стопяеми предпазители. Товаровият прекъсвач при тези решения се избира така, че да може да изключва максималния работен ток на трансформатора.

При използването на предпазители трябва да се имат предвид техните особености. На фигура 1 е показана характеристиката на стопяем предпазител с характерните й зони. Всеки предпазител се характеризира с номиналния си ток. Това е максималния ток, при който предпазителят може да работи неограничено дълго време. Надясно от номиналния ток на фигурата започва зоната на прегряване (overheating zone).

Това е диапазонът от токове, при който вложката на предпазителя не се топи, но се получава недопустимо прегряване на предпазителя, което води до постепенно разрушаване както на самия него, така и на неговата основа или на товаровия прекъсвач. Отляво тази зона е ограничена от тока на стопяване. В диапазона между тока на стопяване и тока на прекъсване се намира зона, в която се стига до стопяване на вложката, но не и до прекъсване на дъгата (non-breaking zone).

В резултат се стига до много тежки повреди и пожари. По-точно казано, изобразената характеристика представя предпазител от т. нар. back-up категория, съгласно определенията на стандарт IEC-282. При предпазителите от категория “full range”, които обаче са по-скъпи, зоната на неизключване не съществува – при всички случаи, в които се достига до стопяване, има надеждно изключване на дъгата.

Следователно, предпазителите следва да бъдат избирани така, че да се избегне работа в двете “забранени” зони – тази на прегряването и тази на неизключването. Поради това номиналният ток на предпазителя се избира да бъде 1,4 пъти по-голям от максималния работен ток на трансформатора, като под това се разбира токът на максималното очаквано (и допустимо за трансформатора) претоварване в работен режим.

Така всички очаквани продължителни токове остават в разрешената зона на несработване на предпазителя, а късите съединения се очаква да имат ток, намиращ се в зоната на изключване.
Естествено, както и при всички комутационни апарати и тоководещи части, при избора на предпазители също се вземат предвид номиналното напрежение и максималният ток на късо съединение през устройството.

Вижда се също така, че при така изложения принцип на избор, предпазителите не могат да служат като защита от претоварване. В качеството на такава се използват вградените в прекъсвачи ниско напрежение откъм страната на товара времезависими токови защити. Тези защити същевременно служат като резервни защити на изходящите линии, а така също и като резервиране на предпазителите високо напрежение при къси съединения на страна ниско напрежение.

Препоръчително е характеристиките им да бъдат съгласувани с характеристиките на предпазителите на страна високо напрежение, въпреки че при задействане било на едната, било на другата защита се губи захранването на всички консуматори на трансформатора. Съгласуването (осигуряване на селективност) е по-важно в случаи, когато ползвателят/операторът на уредба НН няма достъп до предпазителите високо напрежение.

Много важно е също така съгласуването на защитата на прекъсвача ниско напрежение със защитите на изходящите линии, тъй като в този случай селективното действие предотвратява загуба на захранването на всички консуматори при повреда на само една изходяща линия. Особено лесно съгласуване се получава при използване на стопяеми предпазители за защита на изходящите линии, тъй като в случай на късо съединение тяхното действие е по-бързо от това на общия автоматичен прекъсвач на шини ниско напрежение.

Решението със защита със стопяеми предпазители и товаров прекъсвач на страна високо напрежение има следните два основни недостатъка:
• Защитата не покрива някои вътрешни повреди, като междувиткови съединения, които се развиват постепенно, а токовете на повредата нарастват бавно, преминавайки и през забранената зона на предпазителите, което е предпоставка за разрушаване на предпазителите и товаровия прекъсвач, и дори пожар. Ето защо е добре и малките трансформатори да бъдат снабдявани с газови защити, които обаче в случая могат да действат само “на сигнал”.
• Предпазителите имат доста голям толеранс на характеристиките си, така че нормално в случай на късо съединение един от трите предпазителя изключва първи. Тъй като от това захранването на късото съединение се намалява, токът става по-малък и останалите два предпазителя могат да останат доста дълго време без да сработят. При трансформатор в схема на свързване триъгълник-звезда, отпадането на напрежението на една от фазите на страна високо напрежение довежда до понижаване на напрежението на две от фазите на страна ниско напрежение. Оставането в такъв режим на работа може да бъде много вредно за някои консуматори, особено за електродвигателите.

Поради изброените недостатъци това решение намира все по-малко приложение. Вместо това, широка популярност има така наречената комбинация предпазители – товаров прекъсвач, при която има механизъм, който изключва автоматично товаровия прекъсвач при задействане на кой да е от предпазителите. Много разпространени са КРУ, снабдени с такава комбинация.

Автоматичното изключване елиминира опасността от оставане на консуматорите в непълнофазен режим. Също така могат да се използват предпазители от категорията “back-up”, тъй като при задействане на предпазителя в зоната на неизключване също се предизвиква изключване на товаровия прекъсвач. Така забраненият диапазон от токове се редуцира само до зоната на прегряване.

Докато при съгласуването на самите предпазители по номинален ток на трансформатора остава в сила същия принцип, както при защитата без автоматично изключване на товаровия прекъсвач, критериите за избор на самия товаров прекъсвач са коренно различни. Това е така, тъй като при комбинацията товаровият прекъсвач трябва да е в състояние да изключи много по-голям ток. Стандартът IEC 420 дефинира т. нар. ток на трансфер.

Характеристиките на предпазителите и изключвателната способност на товаровия прекъсвач се съгласуват така, че токове, по-малки или равни на трансферния ток, да се изключват първо от предпазителя на една от фазите, а след това редуцираният след отпадането на тази фаза ток да бъде изключен от товаровия прекъсвач. Токове, по-големи от трансферния ток, трябва да предизвикат задействане и на трите предпазителя за време, по-малко от времето на сработване на изключвателния механизъм.

Стандартът предлага методика за изчисляване на трансферния ток в зависимост от наклона на характеристиката на предпазителя и времето за сработване на изключващия механизъм. На практика, при проектиране и специфициране на комбинации не се налага извършване на такива изчисления, тъй като производителите предлагат таблици за съгласуване.

Що се отнася до риска от работа на предпазителите в забранения диапазон на прегряване, в резултат от бавно развиваща се вътрешна повреда или по друга непредвидена причина, има комбинации с вградени термични изключватели, които изключват товаровия прекъсвач при повишаване на температурата на неговите тоководещи части над определена стойност.

Предлагат се също така и независими електромагнитни изключватели, които могат да се управляват от газова, термична или друга допълнителна електрическа защита (например от земно съединение). С тяхна помощ може да се постигне повишена надеждност на защитата на трансформатора на приемлива цена. При наличието на такава допълнителна електрическа защита от късо съединение изключвателната способност на товаровия прекъсвач трябва също така да бъде по-голяма от стойността на т. нар. take over ток. Това е границата, до която се очаква да сработи външната защита, а над нея - стопяемите предпазители (вж. фигура 2).

Защита със стопяеми предпазители не трябва да се използва за паралелно работещи трансформатори. Ако двата трансформатора се защитават от отделни предпазители или комбинации, след изключване на един от тях в резултат от вътрешно късо съединение повредата ще продължи да бъде захранвана от другия трансформатор през шини ниско напрежение.

Ако пък двата трансформатора имат обща защита с предпазители на страна високо напрежение, освен че при всяка повреда ще бъдат изключвани и двата, предпазителите трябва да се оразмерят за двойно по-голям работен ток. Така чувствителността се намалява двойно и се увеличава рискът от работа в забранените диапазони на предпазителите. Надеждна и селективна защита на паралелно работещи трансформатори се постига само с отделни защити и прекъсвачи от двете страни на всеки от трансформаторите.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top